羧酸的结构特征

1、5.2羧酸5.2.1 羧酸的结构特征含有羧基（-CO2H）官能团的化合物称为羧酸。羧基组成中含一个羰基和一个羟基，但它的性质与只含有羰基的醛酮有较大差异。这是由于羧酸中羰基（C=O）轨道与羟基（OH）氧上的p轨道发生p-p共轭，从而消弱了C=O双键，增强了C-O单键。使它具有自身的特征反应。以乙酸为例：羟基氧和羰基氧均采用不等性SP2 杂化，羟基氧SP2 杂化轨道上有1对电子，而羰基氧SP2 杂化轨道上有2对电子，羰基氧上相对电子云密度高一些。所以形成H键和与H+结合均发生在羰基氧上。5.2.2 羧酸的分类和命名（1）分类：羧酸广泛存在与自然界，它是有机合成的重要原料。根据结构不同分为一元、二

2、元酸和多元酸，饱和酸、不饱和酸，取代酸，芳香酸等。不管羧基连有什么基团，其性质基本相同。（2） 羧酸的命名：俗名（trivial name）俗名是根据其来源叫出的名字，如从蚂蚁中得到的酸叫蚁酸（HCO2H），从苹果中得到的叫苹果酸（HOOCCH（OH）CH2CO2H）等。下面是一些羧酸的俗名和相应英文名称：系统命名和IUPAC命名： 选含有羧基的最长碳链为母体，其它基团为取代基，编号自羧基碳开始。二元酸选含两个羧基的最长碳链，编号从一个羧基碳开始，同时照顾其它取代基编号较小。IUPAC命名法，把相应母体烃去掉词尾“e”加上oic acid或edioic acid，如下例中4-甲基-3-戊烯酸，

3、母体烃为pentene，变为pentenoic acid。例2中母体为butane，变为butanedioic acid。环烷酸一般以相应环烃的英文名加上carboxylic acid。CA名称：将母体名称放在前面，取代基按字母顺序依次放在后面，如： 5.2.3物理性质十个碳以下的饱和一元酸为液体，小分子酸有刺激性气味，四个碳以上的液体酸有难闻的气味。二元酸和芳香酸都为固体。羧酸沸点比相应分子量的其它化合物要高，如乙酸（分子质量60）bp 118，正丙醇（分子质量60）bp 97，氯乙烷（分子质量64.5）bp 12。这是由于羧酸往往以两个氢键的形式发生双分子缔合生成较稳定的二聚体，使它比能以

4、氢键缔合的相应醇沸点要高。从表4.2.5-1可以发现一元或二元酸熔点呈现一种规律，很多偶数碳的酸比相邻奇数碳的酸熔点高。羧酸一般能溶于极性较小的溶剂如醚、醇、苯等，小分子一元酸和二元酸易溶于水，随羧基所连烃基链增大水溶性减小。红外光谱（Intrared spectroscopy, IR）羧酸的特征吸收：O-H伸缩振动3 4002 500 cm-1一个宽吸收峰，这是羧酸二聚氢键造成的结果。C=O伸缩振动1725-1710cm-1，若与双键共轭将降低吸收频率，此时吸收范围1700-1680。 C-O伸缩振动1320-1210cm-1。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,

5、 NMR）受羰基各向异性和羟基氧电负性影响羧基中的质子共振吸收出现在低场10-12。a-碳上的H受羧基影响，一般比饱和碳上的氢共振向低场偏移，d 2.2-2.5。Fig4.2.5-2乙酸NMR谱图5.2.4化学性质 (1) 酸性酸性强度（acid strength）羧酸最突出的化学性质是酸性，它可与NaHCO3作用放出CO2，说明它的酸性强于碳酸。 经测定脂肪酸的pKa值约为5，碳酸的pKa1为6.4。羧酸表现出的较强酸性是由于在水中离解产生的酸根负离子较为稳定，这样可使平衡右移，Ka值增大，而pKa值减小。酸根负离子的稳定性与它的结构有关，在酸根负离子中碳为sp2杂化，该碳p轨道分别与两个氧

6、p轨道平行交盖，使负电荷分散于两个电负性较强的氧上，稳定性较好。甲酸钠X-衍射结果证明了这一点，正常C=O键长0.123nm，C-O键长0.143nm，而甲酸负离子中两个碳氧键键长相等均为0.127nm。结构对酸性的影响（effect of structure on acidity）结构不同的羧酸酸性不同，影响酸性的主要因素为：诱导效应、共轭效应、氢键等。诱导效应：从结构上讲酸根负离子的稳定性决定的酸性强度，所以拉电子基会增大酸根负离子的稳定程度，使酸性增强，相反给电子基会使酸性减弱。下例取代乙酸的酸性测定结果说明了这一点。Y-CH2COOHY= -CH3, -H, -F, -Cl, -Br,

7、 -I, -OH, -NO2PKa 4.78 4.76 2.57 2.86 2.94 3.18 3.83 1.08正丁酸、2-丁烯酸、3-丁炔酸酸性依次增强是由于碳的杂化不同决定的。乙炔基碳为SP杂化，乙烯基碳为SP2杂化，乙基为饱和碳SP3杂化，S 成份越大拉电子能力越强，使相应酸根负离子稳定性越大，则酸性越强。HCC-CH2COOH CH2=CH-CH2COOH CH3CH2-CH2COOH SP SP2 SP3pKa 3.32 4.35 4.82氢键和场效应（hydrogen bond and field effect）顺丁烯二酸pKa1 1.83；pKa2 6.07。而反丁烯二酸pKa

8、1 3.02；pKa2 4.44。这两种异构体表现出不同的酸性是由于氢键的影响。顺丁烯二酸第一个质子离解后酸根负离子可与另一羧基形成氢键，这就稳定了负离子。所以它的第一质子易离解。pKa1值比反式异构体小。也正因为如此，这种氢键的形成使第二离子难于离解，使pKa2值比反式大。下列化合物 1的酸性比2的强，这不能用诱导效应解释，可从化合物2中羧基上的质子与氯原子通过空间的相互作用力来说明。在化合物2中，C-Cl极性键呈负性的氯原子比呈正性的碳原子距离羧基氢更近（r1<r2），则负性氯原子对氢的静电吸引力要比电正性的碳原子对氢的斥力大，使氢难于离解，这样使2的酸性就比1弱。这种空间静电作用力

9、的传导叫场效应。 化合物1 化合物2 共轭效应（conjugated effect）苯甲酸酸性比一般饱和脂肪酸(除甲酸外)强,pKa值为4.2,这是由于该酸离解产生的酸根负离子与苯环发生共轭,使负电荷向苯环分散，增加了它的稳定性。取代苯甲酸的酸性（acidity of substituted benzoic acids）当苯甲酸环上连有不同性质的取代基时对其酸性有不同影响。一般来说，连有给电子基，酸性减弱，连有拉电子基酸性增强。这是由于不同性质的基团对酸根负离子的稳定性影响不同。而取代基在间位和对位影响也不同，如间硝基苯甲酸酸性（pKa 3.49）比对硝基苯甲酸酸性（pKa 3.42）要弱。理

10、论上讲取代基在对位可通过共轭超共轭和诱导起作用，而在间位只能通过诱导起作用。对位硝基诱导和共轭共同拉电子作用比间位硝基只通过诱导的拉电子作用大，这样使对硝基苯甲酸的酸根负离子更稳定些，使它的酸性更强。从表4.2.5-2可以看到若取代基在邻位，无论是拉电子还是给电子基都使酸性比苯甲酸强，这种邻位基团的影响叫邻位效应。这个效应可从体积效应、电子效应、氢键等综合考虑。如邻羟基苯甲酸酸性比苯甲酸强的多，这是邻位羟基以氢键的方式稳定酸根负离子的原故。表4.2.5-2 取代酸的酸性相关反应(corresponding reaction) 羧酸呈酸性，能与碱或金属氧化物反应生成盐。羧酸与NaHCO3作用放出

11、气泡（CO2）可作为羧酸的鉴别方法，羧酸与NaOH作用生成溶于水的盐常作为分离提纯方法。例如从有机溶剂中提取苯甲酸；可先加入NaOH水溶液使苯甲酸以钠盐形式进入水层，分离后用无机酸酸化得到苯甲酸。羧酸与重氮甲烷作用生成甲酯，这个反应的第一步即为酸碱反应，继而酸根离子作为亲核试剂发生亲核取代反应，放出N2并生成酯。(2) 酯化：因羧基中的C=O与另一氧的P轨道共轭使羧酸的羰基活性减弱，但在特定条件下仍能与亲核试剂反应，结果使C-O键断裂，羟基被其它基团取代生成羧酸衍生物。酸催化下羧酸与醇反应生成酯的反应叫酯化反应。若一个具有同位素（O18）的醇与羧酸作用，生成的酯中具有氧18的同位素，这说明酯化

12、中所脱的水是由羧酸提供的OH而醇提供的氢。具此人们判定酯化反应中羧酸发生了C-O断裂，其历程是通过加成-消去的过程完成OR对OH的取代。酯化反应是可逆的，为完成反应一般采用过量的反应试剂或采用实验方法除去体系中的水（实验中可采用分水器）移动平衡。若反应物为羟基酸，可进行分子内反应得到热力学稳定的五、六元环的酯。羧酸与醇反应需要催化剂，如质子酸（HCl H2SO4等 ）、路易斯酸（BF3 AlCl3等）、阳离子树脂和分子筛等。还可以借助于其他试剂如二环己烷基碳二亚胺（DCC）脱水剂，反应过程如下： 如在反应中加入DMAP(4-dimethylaminopyridine)或PPY(4-吡咯烷基吡啶

13、)，反应可在室温完成。如：(Ref: Hassner A & Alexanian V, Tetrahedron Lett. 1978 46: 4475)(3)羧酸衍生物的生成：在酸性脱水剂（P2O5或无水醋酸酐）存在下两分子酸脱水生成酸酐。若二元酸分子内脱水生成五、六元环的酸酐时直接加热即可完成反应。羧酸与无机酰卤作用，羟基被卤素取代生成酰卤。羧酸与氨（胺）作用先生成铵盐，该盐加热脱水生成酰胺。通过不同方法使羧基中的羟基被酰氧基（O-COR）、卤素（X）、氨基（NH2）取代，可把酸转化为它的衍生物酸酐、酰卤和酰胺。(4)羧酸的还原：羧酸含有C=O双键，不容易被催化氢化或溶解金属还原，但

14、它可被提供氢负离子的强还原剂LiAlH4 还原，最终产物为醇。(5)脱羧反应：酮酸和二酸的脱羧(decarboxylation of -carbonyl-acid and-diacid ) 一般羧酸在加热条件下不易发生脱羧反应，但-酮酸和-二酸却在加热条件下容易脱羧。反应通过一个六元环过渡态一步完成。这两种酸容易受热脱羧的原因是由于两个拉电子基（RCO- or -COOH ）同连于一个碳（碳）上，热力学稳定性较差，且在加热脱羧的过程中生成能量上有利的六元环过渡态，脱羧后生成热力学上相对稳定的化合物。据此判断，羧酸碳上连有强拉电子基团的羧酸都容易发生脱羧。在生物体内脱羧也是通过酮酸中向体进行的，

15、不过它是通过带有氨基的酶在温和条件下进行。代谢产物酮酸（3-丁酮酸）与酶作用生成亚胺，而后发生质子转移使羧基以负离子的形式脱羧。羧酸盐的脱羧（decarboxylation of carboxylates）羧酸钠盐与碱石灰加热可脱去羧基（中学已讲过）。干燥的羧酸银盐在四氯化碳中与Br2一起加热，放出CO2同时得到溴代烃，这个反应叫亨斯狄克（Hunsdieker）反应。反应是通过自由基历程进行的。这个反应只适合于脂肪酸的银盐，而芳香酸的银盐不易发生类似的反应。亨斯狄克反应的改进是用氧化汞、溴和羧酸共热，其结果也是满意的。这个方法用于由酸制备卤代烃，特别是仲、叔氯代烃和溴代烃。（6）-氢卤代反应：

16、在少量红磷或三卤化磷存在下，羧酸与溴或氯反应生成卤代羧酸。反应首先生成酰卤，然后烯醇化并与卤素加成得到卤代酰卤，卤代酰卤再与没有反应卤素交换生成卤代酸产物和反应中间体酰卤，中间体酰卤再重复以上过程以得到-卤代酸。卤代酸中的卤素很活泼，与氨反应生成氨基酸，水解可制羟基酸，所以卤代酸是重要合成原料。（7）二元羧酸受热反应：脂肪二元酸因两个羧基相对位置不同在加热条件下表现出不同的反应。草酸，丙二酸加热发生脱羧，丁二酸、戊二酸发生分子内脱水生成环酐，己二酸、庚二酸加热时既脱羧又脱水生成环酮。以上实验结果说明在加热条件下反应倾向生成热力学稳定性较好的五、六元环化合物。5.2.5 羟基酸羧酸分子中R上的H

17、被OH 取代后形成羟基酸，根据OH的距COOH的位置，可称为、及-羟基酸，若OH在直链酸的末端，可称为-羟基酸。如：羟基丙酸（2羟基丙酸，乳酸） 2羟基苯甲酸（水杨酸） 2-hydroxy-propanoic acid 2-hydroxy-benzoic acid (1) 羟基酸的性质酸性：脂肪羟基酸由于OH的吸电子诱导作用，其酸性比母体酸强，随着OH距COOH的距离加大，酸性逐渐减弱。羟基连在芳香环上的芳香酸，当OH处在COOH的对位时，由于p共轭的给电子效应大于OH的拉电子的诱导效应，其酸性比母体酸弱；当OH处在COOH的间位时，由于p共轭效应对间位基团COOH影响较小，此时OH的诱导效应

18、起主要作用其酸性比母体酸强；当OH处在COOH的邻位时，由于邻位效应效应和分子内氢键的作用，其酸性比母体酸强。脱水反应：羟基酸易发生两分子脱水形成交酯；羟基酸易发生分子内脱水形成烯烃；及羟基酸易发生分子内脱水形成五或六元环内酯。 羟基酸 羟基酸 羟基酸 羟基酸脱羰基(CO)的反应：羟基酸在酸性介质中加热发生脱羰基（一氧化碳）的反应，利用该反应可制备高级醛酮。治疗晚期癌症的消炎镇痛药佐美酸钠（Zomepirac Sodium）的合成使用了这一反应： (2) 羟基酸的制备羟基酸可采用羧酸卤代再水解的方法制备：醛酮加HCN在水解：-羟基酸可采用Refromatsky (瑞弗马斯基)的方法制备：Ref

19、romatsky试剂是Zn和卤代羧酸酯，该试剂活性较低，不与酯羰基反应。该制备不能使用RMgX, 它与酯羰基反应。 酚酸的制备：苯酚钠与CO2在加压下可制得水杨酸，其反应机理是： 5.2.6羧酸的制备羧酸最常应用的制备方法是：氧化法 格氏试剂合成 腈的水解 羧酸的烃基化 由丙二酸二乙酯合成。在本节我们将讨论前四种方法，第五种方法在继后的羧酸衍生物有关碳负离子一节讨论。此外本节还将介绍酚酸制备方法。（1）氧化法：不饱和烃具有键易受氧化剂进攻，使不饱和键断裂生成羧酸。烷基芳烃在KMnO4 存在下加热，侧链被氧化生成芳香酸。这些反应均可作为羧酸制备的方法。伯醇碳上有两个氢，用强氧化剂处理可得到羧酸。

20、由于醇是容易得到的，所以这是羧酸制备常用方法。醛是最易被氧化的化合物，除KMnO4强氧化剂外，一些弱氧化剂（如：Ag2O）也可把它氧化为酸。（2）格氏试剂合成：许多卤代烃都可用于制备格氏试剂，当向制得的格氏试剂中通入二氧化碳并水解则可得到各种羧酸。这个方法制备比卤代烃多一个碳的酸，是实验室广泛采用的好方法。尽管这个方法应用范围很大，但当格氏试剂制备受到限制时该法不可采用。例如有活泼氢的卤代物或卤代物带有与金属试剂反应的基团时该方法就失去的应用价值。（3）腈的水解：腈在酸或碱催化下水解得到羧酸。过程是水对氰基加成生成酰胺，继续水解到羧酸。一般腈常由卤代烃与氰化钠作用得到，所以这也是制备比卤代烃多

21、一个碳的酸的方法。一些与NaCN作用容易发生消除的卤代烃（如叔卤代烃）和不活泼的芳香卤代烃因不容易得到相应腈该法就不能采用。（4）科尔贝施米特合成：苯酚的钠盐和二氧化碳在压力和加热情况下得到水杨酸，这个反应叫科尔贝施米特合成。这是工业上生产阿司匹林原料水杨酸的成熟方法。反应的历程不十分清楚。这个反应主要用于酚酸的制备，一般芳环上酚羟基越多反应越容易进行。如邻苯二酚与碳酸胺水溶液，共热即可得到3.4-二羟基苯甲酸。Problems1 Name the following acid:2 Write out the correct structure for each of the compound

22、s:(a) -bromohexanoic acid (b) 6-bydroxy 3-methyl benzoic acid (c)cyclopentane carboxylic acid (d) p-acetyl benzoic acid (e)(E)-4-chloro-2-pentenoic acid (f)2-methyl-3-phenylheptanedioic acid3 Explain why propanoic acid boils at 141,but methyl acetate boils at 57.4 The two carboxy group in 2-hydroxyp

23、entanedioic acid have different dissociation constant,which carboxy group is the more acidity?5 Arrange the following acids in order of acidity:6 Suggest reason why o-phthalic acid has a pK1 of 2.9,but terephccthalic acid has a pK1 of 3.5.7 Using simple chemical method to distinguish following compo

24、unds:(a) formaldehyde, acetal acetic acid.8 Write out the major products:9 Using spectroscopy to distinguish following compounds:10 Propose mechanisms for the following reactions:11 Give the structures of compounds A through D:12 Give the structures of compounds M through P. Compound P gave the following NMR spectrum: 1.22(s,6H), 1.85(t,2H), 2.33(t,2H) 7.02(s,4H).13 Write equations that show benzoic acid can be converted into each of the following compou